全球黑土区有机物料还田对土壤有机碳固存影响的Meta 分析

裴 浩 ，苗 宇 ，侯瑞星

（1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；3. 黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

0 引言

黑土大多分布在中高纬度冷凉区，是一种具有较厚腐殖质层、高有机质含量，且肥力较强的土壤，是很多国家的“天然粮仓”，承载着重要的农业、畜牧业生产活动，具有不可或缺的作用[1]。然而，随着人们对作物产量的需求日益提高，耕作集约化的发展，土壤养分大量流失，有机碳过度消耗，直接影响粮食产量，不利于可持续发展[2-4]。有机物料还田是黑土土壤有机碳恢复的重要方式。其中，秸秆和有机肥是有机物料还田常用的两种物质。然而，OPOKU-KWANOWAA 等[5]研究表明，秸秆还田带来的有机碳含量高于有机肥还田；而LI 等[6]研究发现，有机肥还田与秸秆还田的土壤有机碳含量无显著性差异；ZHA 等[7]的研究表明，有机肥还田的土壤有机碳含量高于秸秆还田。因此，秸秆还田和有机肥还田哪一种更有利于黑土有机碳固存尚不明确，探究何种情况下秸秆还田和有机肥还田更有利于黑土土壤碳固存具有重要意义。

研究表明[8-10]，有机物料还田是建立土壤有机碳固存的重要方式。秸秆还田和有机肥还田的耕作方式一方面增加了土壤中的养分含量，另一方面补充了土壤的有机碳含量，同时改变了土壤的物理结构，增加了有机质与微生物的接触面积，微生物量碳增加，改变了土壤中氨态氮与硝态氮的比例，使土壤中的养分更利于作物吸收[11-12]。然而，秸秆还田和有机肥还田对土壤并不是完全有利。秸秆的高碳氮比会导致土壤中速效氮含量降低，在降水量较大的情况下，土壤会释放出更多的N2O，引起氮素流失[13]。更重要的是，黑土质地多为黏土，土壤透气性较差，且多位于冷凉区，微生物活性较低，秸秆分解速率慢，碳素需要长时间才能回到土壤中[14]。相比于秸秆，有机肥的碳氮比较低，在耕作过程中，会消耗更多的有机碳，土壤养分积累较少。

有机物料还田对黑土的作用是一个十分复杂的过程，会受到施肥年限和碳投入量等因素的限制[15-16]。施肥年限不同，有机物料分解程度不同，可能导致土壤有机碳的固存效果不同。碳投入量会影响土壤的碳氮比，这也是限制土壤有机碳固存的重要因素。前人多用田间试验的方法，探究不同有机物料还田对土壤有机碳固存的影响，而哪一种有机物料更有利于土壤有机碳固存，以及在不同的施肥年限和碳投入量下不同有机物料还田对土壤碳固存的影响尚待研究。

先前已有研究设计秸秆还田和有机肥还田处理的田间试验，并进行对比分析，也有相关研究对全球范围内的秸秆还田和有机肥还田处理进行对比分析[17-18]。但是由于黑土区特殊的本底条件，目前仍缺少针对黑土区有机物料还田对比分析研究，而黑土支撑着大量农业活动，对其进行深入研究分析具有重大意义。综上所述，本研究采用Meta 分析的方法定量分析了全球范围内黑土区秸秆还田和有机肥还田处理对土壤有机碳含量及相关理化性质的影响因素，明确了黑土区秸秆还田和有机肥还田影响土壤碳固存的方式，以及不同条件下哪种有机物料还田方式固碳效果更佳，以期为黑土区有机物料的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据收集与提取

本研究从Web of Science 和Scopus 数据库中，以“有机肥（organic manure）”和（and）“秸秆（straw）”和（and）“黑土（black soils）”或（or）“黑土（mollisols）”或（or）“黑土（chernozem）”为关键词，对已发表的经同行评议的文章进行检索（2000年1 月—2022 年9 月）。依据以下标准对文章进行筛选：1）试验方式为田间试验，包括相同条件下不施肥的对照组和秸秆还田试验组或有机肥还田试验组；2）试验土壤为黑土，明确经纬度以及试验地气候条件；3）土壤性质相关指标及其均值、标准差和重复次数可以从文中文字、表格或图表直接提取，或可用GetData Graph Digitizer(version 2.26.0.20)从图表中提取。经筛选之后，本研究最终采纳了41 篇文献中2 012 个观测值（表1）。

黑土在北半球中纬度地区分布较为广泛，在南半球也有少量分布。全球主要有四大黑土分布区：1）中国东北部典型黑土区；2）从俄罗斯一直延续到欧洲西部的半湿润草原区域；3）从加拿大南部跨过美国中部到墨西哥中部的平原区域；4）南美洲的潘帕斯草原[57-58]。

本研究共纳入41 个试验点，包括中国东北部32 个试验点，俄罗斯到欧洲西部6 个试验点，加拿大南部跨过美国中部到墨西哥中部3 个试验点（表2）。

表2 全球黑土区样本分布Table 2 Global sample distribution in mollisols

1.2 指标收集和计算

1）标准误：被纳入的文献若是仅给出标准误，则根据Sd2=Se2n计算出标准差，其中Sd为标准差，Se为标准误，n为样本量。部分研究对于不同土壤深度进行测量，但对于土壤测量最常见的深度是0～20 cm，因此，本研究仅收集了0～20 cm 的土壤数据进行分析。

2）试验地的环境变量，如经度、纬度、年均温和年均降雨量。若研究中没有提及年均温和年均降雨量，则通过Weather Spark 数据库 (https://zh.weatherspark.com/)得到。

3）碳投入量、氮投入量和施肥年限。若研究中未直接说明碳投入量或氮投入量，可根据研究中给出的条件计算得到：若仅给出秸秆投入量和有机肥投入量，则秸秆还田的碳投入量按照秸秆投入量的50%计算，有机肥还田的碳投入量按照有机肥投入量的20%计算[59-61]：若仅给出氮投入量，则按照秸秆碳氮比66:1，有机肥碳氮比22:1 计算。本研究设置低年限 (＜11 a)、中年限 (11～21 a)和高年限 (＞21 a)以及低碳投入 (＜3×103kg/hm2，以C 记，下同)、中碳投入 (3×103～4×103kg/hm2)和高碳投入 (＞4×103kg/hm2)，该设定依据本研究所收集数据分布设置。

4）土壤化学指标，包括pH 值、总氮、总磷、总钾、速效氮、速效磷、速效钾、有机碳、颗粒有机碳、矿物结合态有机碳、溶解性有机碳、硝态氮、氨态氮、碳氮比和氨硝比。

5）土壤物理性质，包括容重、孔隙度、大团聚体、微团聚体、淤泥和黏土和平均重量直径。

6）生物指标，包括微生物量碳、脲酶、转化酶和微生物熵。以此来对秸秆还田和有机肥还田对黑土的影响进行解释。

7）有机碳：部分研究报道了有机质，本研究依据式（1）将有机质转化为有机碳[62]：

式中ISOM为土壤有机质浓度，g/kg；ISOC为土壤有机碳浓度，g/kg。

8）部分研究仅报道了容重，在本研究中依据式（2）将容重转化为孔隙度[63]：

式中IPD为土壤颗粒密度，一般默认2.65 g/cm3；IBD为土壤容重，g/cm3；IPorosity为土壤孔隙度。

微生物熵按照式（3）进行计算[64]：

式中IqMIC为微生物熵；IMBC为微生物量碳，mg/g；ISOC为土壤有机碳，g/kg。

1.3 数据分析

使用自然对数响应比计算每个观测值变化的效应[65]：

式中yi为自然对数响应比；Xt为处理组的均值；Xc为对照组的均值。对照组和处理组分别对应所收录文章中的对照组与处理组。yi方差的计算如下：

式中v为研究内方差；St为处理组的标准差；Sc为对照组的标准差；nt为处理组的样本数；nc为对照组的样本数。本研究以加权响应比R++作为累计效应值，按下式计算：

式中τ2为研究间方差。总体方差V、总体标准误SE和95%置信区间C按照如下式计算：

本研究采用随机效应模型，通过R 软件 (4.2.2 版本)metafor 包 (3.8-1 版本)中的rma.mv 函数来计算加权效应值R++[66]，并通过线性回归模型对经秸秆还田处理和有机肥还田处理后的土壤分别量化土壤有机碳与土壤pH 值、土壤总氮、土壤容重和微生物量碳之间的关系，为了确定施肥年限和碳投入是否影响土壤有机碳变化，本研究采用一般线性模型分别对不同年限和不同碳投入条件下的土壤有机碳与土壤pH 值、土壤总氮、土壤容重和微生物量碳之间的关系进行拟合分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤肥力及理化性质的影响

不同还田方式对土壤理化性状影响的Meta 分析结果如图1 所示。

图1 秸秆还田和有机肥还田处理的黑土土壤性质的加权响应比Fig.1 Weighted response ratio of the soil properties of mollisols treated by straw return and organic manure return

如图1 所示，秸秆还田使黑土区的土壤有机碳（14.96%）、总氮（15.03%）、微生物量碳（28.22%）、总磷（20.03%）、速效氮（17.32%）、速效磷（112.00%）、速效钾（24.83%）、颗粒有机碳（24.24%）、孔隙度（8.29%）和脲酶活性（32.58%）显著增加。有机肥还田使黑土区的土壤有机碳（42.99%）、总氮（39.97%）、微生物量碳（35.79%）、总磷（74.01%）、速效氮（39.23%）、速效磷（211.33%）、速效钾（59.77%）、颗粒有机碳（58.76%）、易溶解有机碳（18.14%）、硝态氮（93.83%）、氨态氮（40.32%）、脲酶活性（54.36%）和转化酶活性（25.53%）显著增加。其中，秸秆还田处理的土壤有机碳、总氮、总磷含量显著低于有机肥还田（P＜0.05）。

线性回归结果表明（图2），在秸秆还田处理下，土壤总氮的对数响应比和土壤有机碳的对数响应比呈正相关 (R2=0.23，P＜0.05)；而有机肥还田处理下，土壤pH 值的对数响应比和土壤有机碳的对数响应比呈负相关(R2=0.50，P＜0.05)，土壤总氮的对数响应比随着土壤有机碳的对数响应比增加而增加 (R2=0.45，P＜0.05)。

图2 秸秆还田和有机肥还田处理的黑土土壤有机碳与土壤pH 值、土壤总氮、土壤容重和微生物量碳之间的关系Fig.2 Relationship between soil organic carbon (SOC) and soil pH,total soil total nitrogen (TN),soil bulk density(BD) and microbial carbon (MBC) treated by straw return and organic manure return

2.2 不同年限秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤有机碳的影响

不同年限两种还田方式对黑土有机碳的影响见图3。在低年限的情况下，有机肥还田（23.32%）有机碳含量高于秸秆还田（17.50%），在中年限情况下，有机肥还田（33.89%）有机碳含量依然高于秸秆还田（13.76%），在高年限的情况下，有机肥还田（68.81%）的有机碳显著高于秸秆还田（15.83%）。可以看出，随着处理年限的增加，有机肥还田相较于秸秆还田对于土壤有机碳的增加呈增长趋势。

图3 不同年限下秸秆还田和有机肥还田处理的黑土有机碳的加权响应比（R++）Fig.3 Weighted response ratio of soil organic carbon of mollisols treated by straw return and organic manure return under different years (R++)

线性回归结果表明（表3），在高年限下，有机肥还田处理的土壤pH 与土壤有机碳含量呈负相关关系（P＜0.05）；在中年限下，无论是秸秆还田处理还是有机肥还田处理，土壤总氮含量均随着土壤有机碳含量增加而增加（P＜0.05）。

表3 不同年限下秸秆还田和有机肥还田处理的黑土土壤有机碳与pH、总氮、容重和微生物量碳的回归模型Table 3 Regression model of soil organic carbon versus pH,TN,BD and MBC treated by straw manure return and organic manure return under different years

2.3 不同碳投入量秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤有机碳的影响

不同碳投入量两种还田方式对黑土有机碳的影响见图4。在低碳投入的情况下，有机肥还田（17.63%）的有机碳含量高于秸秆还田（8.74%），在中碳投入的情况下，有机肥还田（65.62%）有机碳含量显著高于秸秆还田（20.07%）有机碳含量，在高碳投入的情况下，有机肥还田（35.38%）的有机碳含量仍然高于秸秆还田处理（15.11%）。

图4 不同碳投入量下秸秆还田和有机肥还田处理的黑土有机碳的加权响应比Fig.4 Weighted response ratio of the soil organic carbon of mollisols treated by straw return and organic manure return under different C inputs

线性回归结果表明（表4），在低、中碳投入下，秸秆还田处理的土壤pH 值均随着土壤有机碳增加而增加（P＜0.05）；而在有机肥还田的处理中，只有中碳投入下，土壤pH 值与土壤有机碳含量呈显著负相关（P＜0.05）；在低碳投入下，无论是秸秆还田还是有机肥还田，土壤总氮均随着土壤有机碳的增加而增加（P＜0.05），在中碳投入下，有机肥还田处理的土壤总氮仍然和土壤有机碳含量呈显著正相关关系（P＜0.05）；在中碳投入下，有机肥还田处理的土壤微生物碳含量随着土壤有机碳含量的增加而减少（P＜0.05），除此之外，均未呈现显著相关关系（P＞0.05）。

表4 不同碳投入量下秸秆还田和有机肥还田处理的黑土土壤有机碳与pH、总氮、容重和微生物量碳的回归模型Table 4 Regression model of soil organic carbon versus pH,TN,BD and MBC treated by straw manure return and organic manure return under different C inputs

3 讨论

3.1 秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤肥力及理化性质的影响

有机物料在黑土中转化的过程十分复杂。秸秆投入农田后，需要经过微生物的分解作用才能够返还到土壤中，为土壤增添有机碳以及氮、磷元素[40]。然而，在黑土区，农田小气候环境冷凉为主，微生物活性较低，秸秆分解缓慢，碳、氮、磷进入土壤需要很长时间。有机肥以动物粪便为主，含有多种活性有机碳组分，增强了土壤中微生物活性，增加了土壤中养分含量[37]。先前已有LI 等的研究结果与之相对应[6,26]，本研究利用Meta 分析的方法发现，秸秆还田处理的土壤有机碳、总氮、总磷含量显著低于有机肥还田（P＜0.05），该结果证明在黑土区，与秸秆还田相比，有机肥还田总体上更利于土壤碳固存。回归分析进一步揭示了其中机制，首先，土壤pH 值的降低，伴随着土壤有机碳含量的增加，这主要是由于土壤pH 值的变化影响了微生物活性[67]，进而影响有机质的分解。此外，秸秆还田和有机肥还田呈现同一规律，即土壤总氮含量增加，土壤有机碳含量也随之增加，这表明秸秆还田和有机肥还田过程中的有机碳投入增加了土壤有机碳固存，有助于土壤有机碳库和氮库的建立[22]。

3.2 秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤活性有机碳含量的影响

土壤活性有机碳是有机碳中最为活跃的部分，是土壤有机碳变化的指示剂，在不同有机物料还田情况下，土壤活性有机碳含量较之有机碳变化更为敏感[68-69]。有机肥进入黑土，向土壤中添加了碳素，为微生物提供了生长所需养分，使得土壤微生物活性得到加强，将外源碳转化为活性碳，进而增加了土壤中活性碳组分[40,70]；秸秆还田为土壤提供了含碳基质，残渣分解产生可溶性有机碳，增加了土壤碳素，提高了土壤养分含量，提供了有利于微生物生长的条件，使得微生物量碳增加[71-72]。在QIU 等[19]的研究中，有机肥还田的土壤POC、DOC增加，且显著高于秸秆还田。在HE 等[22]的研究中，有机肥还田的土壤MOC、MBC 增加，同样显著高于秸秆还田。本研究得到了与前人较为一致的研究结果，有机肥还田使得土壤POC、DOC、MBC 显著增加，秸秆还田的土壤POC、MBC 同样呈显著增加的结果，并且有机肥还田处理的土壤活性有机碳含量高于秸秆还田处理，原因主要是秸秆与有机肥碳组分存在差异，其中有机肥本身易分解的特质，使得土传微生物群落被激活，土壤活性有机碳含量增加[73]。

3.3 秸秆还田和有机肥还田对黑土区土壤的影响受施肥年限和碳投入因素影响

随着施肥年限的增加，有机肥还田较于秸秆还田对于土壤有机碳含量的增加呈增长趋势。有机物料投入土壤后，伴随着微生物的分解，碳被固定在土壤中。然而黑土的高本底值，伴随着秸秆的长期投入，可能达到碳饱和水平，导致土壤有机碳含量不再增加[74-75]。已有秸秆还田和有机肥还田相关研究表明，长期施肥可以使黑土土壤有机碳含量增加[20,34]。这在本研究中也得到了体现，有机肥的投入会显著增加土壤有机碳含量，随着施肥年限的增加，土壤有机碳含量依然增加 。原因主要是有机肥中富含微生物，为碳固定创造了新的点位。且有机肥利于团聚体的形成，其相对较大的比表面积更容易吸附土壤碳，使得土壤有机碳固存增加[5]。回归分析结果表明，在中年限下，无论是秸秆还田处理还是有机肥还田处理，土壤总氮含量均随着土壤有机碳含量增加而增加（P＜0.05）。而在高年限下，有机肥还田处理的土壤pH 值与土壤有机碳含量呈负相关关系（P＜0.05）。有相关研究表明，不同地区、耕作方式导致土壤微生物适宜pH 值有所不同，随着施肥年限的增加，土壤微生物得到补充，土壤pH 值变化，有机肥效果得到体现，进而增加土壤有机碳固存[76]。

根据微生物化学计量比，秸秆的碳氮比约为66:1，其含碳量高，有利于有机碳积累[26]。而有机肥的碳氮比贴近于微生物分解所需碳氮比25:1，含碳量较秸秆低，更有利于外源碳矿化，因而在中碳投入的情况下，可以更有效的补充黑土中的有机碳[77]。先前已有研究报道，碳投入量会影响土壤有机碳含量[76]。在本研究中，中碳投入的条件下，有机肥还田有机碳含量（0.66%）显著高于秸秆还田有机碳含量（0.20%），在低、高碳投入的情况下，有机碳含量差异不显著。这进一步揭示了碳投入过低或过高均不利于土壤有机碳恢复。其中不同碳投入的回归分析结果表明，在低、中碳投入下，秸秆还田处理的土壤pH 值均随着土壤有机碳增加而增加（P＜0.05），在有机肥还田处理的中碳投入下，土壤pH 值与土壤有机碳含量呈显著负相关（P＜0.05），说明合理的还田量，可以调节土壤pH 值，增加微生物、酶活性，进而加快有机物料分解，促进养分转化[76]；在低、中碳投入下，无论是秸秆还田还是有机肥还田，土壤总氮均随着土壤有机碳的增加而增加（P＜0.05），该结果进一步应证了秸秆还田对于黑土土壤有机碳的恢复效果受碳氮比限制；在中碳投入下，有机肥还田处理的土壤微生物碳含量随着土壤有机碳含量的增加而减少（P＜0.05），原因主要是有机肥的投入向土壤中增加了部分氮素，而在氮素充足的环境中，会促进微生物的分解代谢而非合成代谢，微生物利用需要消耗更多能量[77]，该结果也为中碳投入下，有机肥还田使得黑土土壤有机碳含量增加效果最好，这一结果加以应证。

4 结论

本研究采用Meta 分析方法，整合分析不同有机物料还田对黑土土壤有机碳固存的影响，得出以下结论：

1）秸秆还田与有机肥还田均显著增加土壤有机碳、总氮、总磷含量，其中有机肥还田处理的土壤有机碳、总氮、总磷含量显著高于秸秆还田。有机物料还田为黑土土壤带来了大量有机质，提供了养分支撑。总的来看，有机肥还田对于土壤肥力的提升效果更好。

2）有机肥还田还使得土壤颗粒有机碳、易溶解有机碳显著增加，秸秆还田的土壤易溶解有机碳也显著增加。有机肥中含有所有有机碳组分，增加了活性有机碳含量，秸秆同样为黑土土壤提供了不同有机碳组分，但有机肥还田处理的土壤活性有机碳含量高于秸秆还田，表明有机肥还田更有利于土壤有机碳固存的增加。

3）随着施肥年限的增加，有机肥还田对于土壤有机碳的增加高于秸秆还田，在中碳投入（3×103～4×103kg/hm2，以C 计）的情况下，有机肥还田的土壤有机碳含量高于秸秆还田，揭示了有机物料还田受施肥年限和碳投入因素制约。并且施肥时间越长，有机肥还田的效果越好，使得土壤有机碳增加，由于碳氮比及碳饱和的限制，有必要通过控制有机物料还田的碳投入量来达到更好的土壤有机碳恢复效果。